CN104204704A - 直接接触式冷凝器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于使蒸汽冷凝的设备，其包括至少两个室(11，12)，其中第一室(11)作为同流流动冷凝室进行操作，并且第二室作为逆流流动冷凝室进行操作，所述同流流动冷凝室包括冷却液体分配系统(115)，冷却液体分配系统具有布置在多个膜载体上面的多个通道，膜载体具有平坦的表面区域，以承载冷却液体膜。

Description

直接接触式冷凝器
技术领域
本发明涉及用于发电厂中、尤其地热发电厂中使用的直接接触式冷凝器。
背景技术
地热能源在最近几年中作为传统烃类燃料资源的备选方案已经产生了相当大的兴趣。从地下的地热储集层获得的流体可在地面设施中进行处理，以提供各种形式的有用能量。特别有兴趣的是通过使地热蒸汽或蒸气穿过联接在发电机上的蒸汽涡轮而产生电力。
几种不同类型的地热发电厂是已知的。这些包括，例如直接循环电厂、闪蒸蒸汽电厂、间接循环电厂、双循环电厂、以及联合或混合电厂。关于本发明特别有兴趣的直接循环电厂包括蒸汽涡轮，其直接被来自地球内部的蒸汽所驱动。在涡轮中进行膨胀之后的蒸汽在冷凝器中进行冷凝，并被释放到大气中，或者被重新注入到地下地层中。
美国专利No.5,925,291描述了一种用于地热应用的直接接触式冷凝器。地热流体典型地包括各种潜在的污染物，包括不可冷凝的气体(NCG)，例如氨、硫化氢和甲烷。因为这些污染物的原因，尤其硫化氢，出于环境原因通常禁止将地热蒸气排气排出到大气中。因而，传统方法是将涡轮流出物排出到蒸汽冷凝器中，以减少涡轮背压，并使不可冷凝的气体浓缩，以便在下游进行进一步的排放、处理或去除。
No.5,925,291专利进一步提出许多地热发电厂利用直接接触式冷凝器，其中冷却液体和蒸气在冷凝室中进行混合，从而使涡轮排出的蒸气冷凝。在具有带腐蚀潜力的高含量的不可冷凝气体的蒸气冷凝的情况下，相对于表面冷凝器，直接接触式冷凝器大体是优选的。在表面冷凝器中，蒸气释放其凝结热，以使冷却水跨隔离壁进行循环。由于可获得的用于在表面冷凝器中冷凝纯(或表示准纯)蒸气的优良的整体平均热传递系数，这种类型的冷凝器是循环散热器的优选实现形式。
然而，对于具有高的不可冷凝含量(例如大于0.5%摩尔分数)的冷凝蒸汽而言，由于气膜边界层的原因，考虑了较低效率的直接接触式冷凝器的使用，气膜边界层极大地增加了用于热传递的热阻。为了使用直接接触式冷凝器实现最佳的热传递效率，必须将冷却液体以足够高的速度引入到冷凝室中，以便使液体散布成精细的液滴，即，形成雨，从而增加用于冷凝的表面面积。
不幸的是，这种高速排出减少了在冷却液体和蒸气之间的接触时间，这又降低了热交换效率。因此，传统的直接接触式冷凝器需要相对较大的冷凝室以补偿这种低的热传递效率，并在液体和蒸气之间提供充分接触，以实现冷凝。
如No.5,925,291专利中所述，提高冷凝效率并因而最大限度地减小直接接触式冷凝器尺寸的一种可能的方式是通过多个单独的喷嘴喷射冷却液体，喷嘴以液滴或膜的形式散布冷却液体。因为膜或液滴比正常液体喷射提供了更大的用于冷凝的表面面积，所以可将冷却液体以较小的速率引进室中，即，不会产生精细液滴的雨。虽然这些喷淋室冷凝器比前代冷凝器提供了大体改进的冷凝效率和更紧凑的设计，但是它们需要相当大量的冷却液体以获得充分的冷凝。因此，并且因为额外的能量要求和将过量冷却液体抽送到冷凝室中相关联的损失，这些冷凝器的实际效率仍然保持低水平。
美国专利No.3,814,398公开了一种直接接触式冷凝器，其具有相对于冷却液体入口成角度设置的多个间隔开的偏转板。偏转板定位成将冷却液体分裂为液体碎片，因而产生了冷却剂膜。冷凝器包括多个喷淋室，其中各个室具有偏转板和用于液体的导管。这种设计的明显的缺点是其复杂性和高的成本，因为产生膜需要大量的间壁、偏转板和液体导管。
美国专利No.5,925,291中所述的冷凝器具有向下蒸气流动室和向上蒸气流动室，其中各个蒸气流动室包括多个冷却液体供给管和设置在其下面的蒸气-液体接触介质，以促进蒸气和冷却液体之间的接触和直接热交换。接触介质包括多个片材，其布置为形成用于蒸气和冷却液体流的竖向交叉通道或通路。向上蒸气流动室还包括设置在蒸气-液体接触介质下面的第二组冷却液体供给管，其响应于向上蒸气流动室中的压力差而间歇地操作。冷凝器还包括单独的井，用于收集来自各个蒸气流动室的冷凝物和冷却液体。在备选实施例中，冷凝器包括交叉流流动室和向上流动室、多个向上流动室或单个向上流动室。
虽然提供了一种高效的冷却系统，但是No.5,925,291专利中所述的冷凝器可能时常难以制造和维护，因为由钢形成交叉通道是具有挑战性的。通道同样不容易为了防止结垢或生垢而进行清洗。因此可看作本发明的一个目的是提供一种紧凑且高效的直接接触式冷凝器，其避免了已知的冷却方法的缺点，尤其是应用于来自地热源的冷凝物蒸汽时。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于使蒸汽冷凝的设备，其具有至少两个室，其中第一室作为同流流动冷凝室进行操作，并且第二室操作的作为逆流流动冷凝室，同流流动冷凝室包括冷却液体分配区段，其包括布置于多个膜载体元件上面的多个通道，从而为连续的膜提供了与流动蒸汽相互作用的基本平坦的表面。
在一个优选实施例中，该设备还包括室和用于除去不可冷凝的气体(NCG)的出口。
在另一优选的实施例中，冷却液体分配区段散布液体，以便在载体上以非常低的压力降形成均匀的膜。跨越分配通道的进入逆流流动冷凝室中的开口而测量的压力降最好设计为小于300毫巴或甚至小于200毫巴。
在另一优选的实施例中，冷却液体分配区段散布液体，使得载体上的流至少是局部湍流的，优选没有从表面上升起膜。为了帮助在载体上建立湍流，膜载体可具有结构化表面。
除了表面结构之外，膜载体优选是金属、金属合金或可以很容易进行清洗以除去冷凝过程的沉淀物的人造材料(例如玻璃、聚合物或复合材料)制成的基本平滑的板。
在室中，板可作为竖向或近竖向壁进行安装，即，相对于竖向或直立方向以优选五度或更小的角度进行定向。
在又一优选的实施例中，板组合成模块，一个或几个模块形成用于发电厂的冷凝器单元。
在本发明的又一优选实施例中，冷却液体分配区段包括通道，在操作过程中，冷却液体在分配到膜载体上之前以相互相反的方向流过这些通道。在该实施例的一种变体中，通道被分成两组通道，其中冷却剂以第一方向在一组通道中流动，并且以相反方向在另一组通道中流动。
如果被认为是高效的，这板还可形成为管道、半管道以及其它形状，所有这些都能够提供表面以容许冷却液体膜从顶部处的液体分配系统相对无阻碍地流向设备底部的冷却剂收集处。
根据以下详细说明和以下列出的附图，本发明的这些方面和其它方面将清晰明了。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的示例性实施例，其中：
图1A，B是根据本发明的一个示例的直接接触式冷凝器的示意性的透视图；且
图2A-2F显示了图1的直接接触式冷凝器的示意性的竖向横截面和进一步的细节；且
图3显示了根据本发明的一个示例的膜承载元件的模块。
具体实施方式
本发明的示例的各个方面和细节将在以下说明书中利用为地热发电厂而设计的冷凝器单元的示例进行进一步详细的描述。来自地热源的蒸汽流被假定携带了大部分不可冷凝的气体。
如图1A和1B的透视图中所示，其显示了根据本发明的一个示例的直接接触式冷凝器，冷凝器10被分成至少两个隔腔11,12。第一隔腔11包含同流流动冷凝级，其被设计为用于执行冷凝过程的主要部分。第二隔腔12包含呈逆流流动布置的冷凝级。第二级被设计为主要用于从不可冷凝的气体中脱除水。
第一隔腔11的一部分是入口111，其将来自涡轮的排气口的蒸汽引导至护罩或冷凝器颈部112中。其它导管114-1,114-2用于将水以相反方向喷射到冷凝器10的第一隔腔11中。这些导管为下面所述的冷却液体分布系统提供冷却液体。在穿过两级冷凝器10之后，不可冷凝的气体被收集在第二护罩124中，并且通过抽吸管125抽出。
图2的示意性的横截面显示了图1的冷凝器的进一步的细节。在护罩或冷凝器颈部112的下面，蒸汽在进入包括多个沿竖向布置的板113的区段之前穿过液体分布系统或头部115，所述板组成了第一冷凝器单元11的主体。导管114-1,114-2为定位在沿竖向布置的板113的上面的冷却液体分布系统115提供了冷却液体。第一隔腔的底部116基本上形成为用于冷却液体和冷凝在里面的蒸汽部分以及任意数量的溶解气体的收集室或热井。热井116具有进入下一隔腔12的热井中的溢流以及具有额外的出口117，在本示例中，水通过泵118驱动通过该出口，从而能够控制离开冷凝级的冷却液体的温度。
在第一隔腔11中已经以等流或同流流动布置穿过第一冷凝级之后，残留的蒸汽就进入第二隔腔12中。第二隔腔12包含以逆流流动布置进行操作的第二冷凝器单元121。第二冷凝器单元可为传统填料床冷凝器，其中冷却液体通过定位在冷凝器单元121顶部的喷嘴123而分配在填料床122上。填料床只是低压力降气体-液体接触器的一个潜在的选项。穿孔板、阀板、鼓泡塔盘板都可为填料床塔的备选方案。第二单元121设计为可从混合物中脱除蒸汽，用于获得不可冷凝气体的浓缩，然后通过护罩124将其收集起来，并通过管125抽出。
第二冷凝器单元121还包括另一热井126，其用于从蒸汽和气体流中脱除的水。热井126连接在泵和管路系统127上，用于引导热井水流向用于外部冷却装置(例如冷却塔，水-水冷却器等等)的回路，以便进行处理、再循环、丢弃处置等等。
在图2B-2D中显示了液体分布系统的进一步的细节。由定位在侧壁顶部的两个导管114-1,114-2所提供的用于冷凝模块的冷却水供给115将冷却水分配到多个进料管21中。如图2C中进一步详细所示，下排进料管21相对于上排沿竖向偏移大约一个管直径，并且水平地偏移半个管直径，管直径在所述的示例中为大约40mm。
这种布置或相似的布置经过选择以确保板113上面的进料管21形成密集栅格，同时容许穿过进料管栅格并沿着板面相对无阻碍的流动。进料管21设计为用于尽可能沿着板113的顶部区段均匀地分配冷却液体薄膜。在该示例中，这通过使各个膜载体板113的顶部部分进入缝隙22中来实现，缝隙切入到进料管21的底部中，如图2D中所示。缝隙在板113的顶部的各侧处的宽度在0.5mm至2mm的范围内，以确保冷却液体流粘滞在板上，而且跨开口或跨缝隙的压力降不超过200毫巴。因而，流过进料管21的冷却液体沿着板113的正面和背面平滑地流掉。
在图2E的实施例中，显示了一种将板113附连在进料管21上的典型方式。各个板113通过又一金属片211而保持在缝隙22中的合适位置上。这个夹片211具有带齿的末端区段，并且弯曲成紧密的U-形形状。膜载体板113的顶部被焊接、用螺栓拧紧或夹紧成U-形弯曲形状，使得带齿的末端区段在进料管的底部和所夹紧的板113之间提供了多个短的通道221。这些板可通过以直角焊接在冷凝器板113上的短的加强板或金属条113-1进行进一步稳定。
利用导管114-1,114-2将冷却液体以相反方向引导至进料管21中被看作是一个优点。例如导管114-1,114-2可用于对每隔一个管21交替地进料。这种进料模式可平衡由于冷却剂流入液体分布系统115中的流动方向而引起的任何不均匀性。其还可用于通过关闭其中一个导管而在满负荷和半负荷之间切换冷凝器的容量。
在图2A中还显示了以模块23的形式安装的板113，各个模块组合了多个板113，典型地10至40个。模块的板113利用空心管状元件24(作为间隔件或系杆)而焊接在一起，如图2F中更详细地所示。通过使例如带螺纹杆25穿过空心管状元件24并将带螺纹杆25的末端固定到冷凝器单元11的外壳上或外壳中的支架上，从而将模块23安装在冷凝器单元11的外壳上。其它机械的或化学固定方法，例如螺母和螺栓、焊接或胶合可用于将模块和板保持在模块内部的合适位置上。
如图3中所示，模块23被有利地设计为完整单元，其包括之前提到的板113上面的进料管21的组件15的至少一部分。各个模块23典型地具有例如以输入蒸汽的最大质量流率来表达的特定容量。这样可在减少设计工作的条件下，如上面所示通过在一个或多个外壳中装配恰当数量的模块23来改装冷凝器，以适应穿过整个地热发电厂的(给定的)热流。在上面所述的变体中，导管入口114-1,114-2可用于交替地对每隔一个模块23而非对每隔一个管21进行进料。
再次参照上图，以下将描述新的直接接触式冷凝器的典型操作。因而在操作条件下，冷却液体例如水泵送通过分布系统115和进料管21。来自进料管21的冷却液体流在板113的壁上产生了下降的冷却液体膜。
相信，在气体液体界面处的膜的热传递和质量传递特性可通过选择膜液体负荷或流量而进行改进，从而在板的表面上获得完全湍流的膜。虽然是湍流的，但膜被设计为可保持粘附在表面上，而没有明显的液体被夹带在气相中。当在冷却剂负荷的操作范围内呈现强烈波形时，膜界面被预期性能是最高效的。膜载体的利用例如槽图案而粗糙化或精细结构化的表面可增强所需的膜特性。
与保持层流相反，为了对被认为造成膜在板113的表面上变成湍流的质量负荷进行定量分析，使用了膜雷诺数Re(F)。膜雷诺数Re(F)被定义为与质量流量或负荷Γ对液体粘性η(l)的比率(即，Γ/η(l))成比例。为了改善冷凝过程并减少不可冷凝气体的危害影响，被视为有利的是使膜载体113上的冷却剂的质量流量负荷保持与1500至3000或甚至1900至3000的膜雷诺数Re(F)的范围相对应。如果使用水作为冷却剂，那么这个膜雷诺数范围分别对应于每秒每米膜宽度1.5升至3.0升和1.9升至3.0升的质量流量。
通过例如利用6m宽度和2.5m高度的板113，2kg/(m*s)的水膜负荷Γ会产生大约2000的雷诺膜数Re(F)。如果想要耗尽来自大约40.37kg/s的处于0.115巴的涡轮排气口的输入气体/蒸汽混合物(具有0.6%含量的不可冷凝气体含量NCG)中的蒸汽含量的80-90%，那么需要成堆叠的九个由20块板形成的模块，每块板都均具有上面的尺寸。这个堆叠可包含在小于9m宽的冷凝器隔腔中，各个模块以小于一米的宽度进行装配。在29.5摄氏度的入口温度和41.5摄氏度的出口温度下，冷却水的总的质量流量假定为1719kg/s。
对于以9.7kg/s的质量流速和0.75的蒸汽质量分数而离开第一冷凝器隔腔11的气体混合物而言，为了使其在第二冷凝器隔腔12中脱除其残余水含量，(聚)丙烯填料类型的Mellapak N125或相似的产品可与冷水一起使用，冷水以大约29kg/(m*s)加载自喷嘴123，且混合气的气体加载系数为1.5。跨填料床的估计压力降可能不超过3毫巴。填料床的估计高度是1.5m，这与3.0的传质单元数(焓)NTU(h)相对应，其中HTU(h)为0.5m。
在第二冷凝器隔腔的出口125处的NCG/蒸汽混合物流可经过计算为4kg/s，具有0.26的蒸汽质量分数。通过例如对更小的第二脱除单元提供更冷的水可实现蒸汽浓度进一步的减少。
板可以很容易地进行安装、维护和清洗。可通过高压水射流或通过喷射例如快速的水流穿过板(例如使热井泵反转或其它方式)来清洗板。
上面纯粹通过示例描述了本发明，并且在本发明的范围内可做出修改。本发明还包含本文所描述或隐含的或附图所示或隐含的任何单独的特征，或任何这种特征的任何组合，或任何这种特征或组合的延伸至其等效物的任何归纳总结。因而，本发明的广度和范围不应局限于任何上述示例性实施例的限制。
除非明确相反地陈述，否则说明书中(包括附图)所公开的各个特征可被用于相同、等效或相似目的的备选特征所替代。
除非本文明确陈述，否则通篇说明书中对现有技术的任何论述并非承认这种现有技术是众所周知的，或形成了本领域中普遍一般知识的一部分。
参考标号列表：
冷凝器10
具有同流流动冷凝级的第一隔腔11
具有逆流流动冷凝级的第二隔腔12
入口111
护罩112
膜载体/板113
加强板113-1
冷却剂导管114-1，114-2
冷却液体分布系统115
收集室或热井116
出口117
泵118
第二(逆流流动)冷凝器单元121
填料床122
喷嘴123
第二护罩124
抽吸管125
(第二)热井126
排泄泵和管路系统127
进料管或管道21
夹紧片211
缝隙22
通道221
模块23
空心管状元件24
带螺纹系杆25

Claims (13)

1. 一种用于使蒸汽冷凝的设备，其具有至少两个室，其中第一室作为同流流动冷凝室进行操作，而第二室作为逆流流动冷凝室进行操作，所述同流流动冷凝室包括冷却液体分配系统，其具有布置在多个膜载体上面的多个通道，所述膜载体具有平坦的表面区域，以承载冷却液体膜。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述膜载体包括多个基本平坦的板。
3. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述膜载体包括多个基本平坦的金属板。
4. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述膜载体布置成模块，其中各个模块包括将所述模块固定到相邻模块或外壳上的元件，并且还包括所述冷却液体分配系统的至少一部分。
5. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷却液体分配系统在所述载体的面上产生了湍流膜。
6. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷却液体分配系统释放具有1500至3000范围内的膜雷诺膜数Re(F)的冷却剂流。
7. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷却液体分配系统以1.5升至3.0升每秒每米膜宽度的速率释放水流。
8. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷却液体分配系统包括管，冷却剂在所述管中以相互相反的方向流动。
9. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷却液体分配系统包括带底部缝隙的管，所述底部缝隙被所述膜载体的上边缘部分地填充，留下两个间隙，以便冷却剂流动到所述载体的相对的面上。
10. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，跨越所述膜分布装置的冷却液体的压力降低于300毫巴。
11. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷却液体分配系统包括带底部缝隙的管，所述底部缝隙被所述膜载体的上边缘部分地填充，所述上边缘通过一个或多个片材保持在合适位置上，留下多个开口，以便冷却剂流动到所述载体的相对的面上。
12. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷却液体分配系统包括带椭圆形横截面的管。
13. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷却液体分配系统包括布置成至少两排的管，其中下排相对于上排沿竖向偏移大约一个管直径，并且水平地偏移大约半个管直径。
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